陶杰版材料科学基础--第5章 相图

90
10 20 30
40
II C% 50 60 70 80 90
90
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70
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50 ← A%
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20
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C
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B 第五章 相图
课堂练习
1. 确定合金I、II、III、IV的成分 III 点：
70 80
90
10 20 30
A%=20% B%=20% C%=60%
60 B% 40 30 20 10
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第五章 相图
意义
•
相图是反映物质在不同温度、成分和压力时，各种 相的平衡存在条件，以及相与相之间平衡关系的重要图 解，掌握相图对于了解物质在加热、冷却或压力改变时 的组织转变基本规律，以及物质的组织状态和预测物质 的性能，都具有重要意义。
•
研究多相系统的平衡在化学、化工的科研和生产中 有重要的意义，例如：溶解、蒸馏、重结晶、萃取、提 纯及金相分析等方面都要用到相平衡的知识
用一个温度坐标和一个压力坐标表示，这时的相图为一个二
维平面图。
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第五章 相图
纯铁的相图
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第五章 相图
二氧化碳相图示意图
B
p/Pa 固相
C
超临界 流体
临界点
液相
O
A
气相
T/K
纯净物质根据温度和压力的不同，会呈现出液体、气体、 固体等状态变化，如果 提高温度和压力，来观察状态的变化，那么会发现，如果达到特定的温度和压力，会 出现液体与气体界面消失的现象，该点被称为临界点。在临界点附近，会出现流体的 密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。 温度和压力均高于临界点时的流体，称为超临界流体。
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第五章 相图
(4) 直角三角形 当三元系中以某一组元为主，某余两组元两很少时， 合金成分点靠近浓度三角形某一顶角附近区域内，可采 用直角浓度三角形。直角坐标原点代表含量高的组元， 两坐标轴代表其他两组元的成分。
组元A占绝大多数时, 原 点为基体组元A，纵、横 坐标为组元B和C，B、C的 浓度可以直接读出，A的 浓度不能直接读出。
C
· O
A
B/%→
B
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第五章 相图
浓度确定
确定O点的成分 1）过O作A角对边的平行线 2）求平行线与A坐标的截距 得组元A的含量 3）同理求组元B、C的含量
O C%
B
B%
A
← A%
C
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第五章 相图
课堂练习
1. 确定合金I、II、III、IV 的成分 I 点： A%=60% B%=30% C%=10% 60 B% 50 40 30 20 I 90 80
40
C% 50 60 70 80 90 IV
A
90
80
70
60
50 ← A%
40
30
20
10
C
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B 第五章 相图
课堂练习
标出75%A+10%B+15%C的合金
70 60 B% 40 30 20 10 A 50 80
90
10 20 30
40
C% 50 60 70 80 90
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第五章 相图
对于O点成分的合金，其成分的确定方法与前述等边三角 形的确定方法相同，即过O点分别引两腰的平行线与AC边相 交于a和c点，则： A＝30％, C＝60％, B＝10％。 虽然，上述成分表示方法在三元相图中都有应用，但应 用最为广泛的还是等边三角形。
等腰成分三角形
T
* fБайду номын сангаасBi
412K
e2 e b e3
401K
E1 Sn
c
Pb E3
E2
Bi
E
a
锡铅铋的三元相图
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第五章 相图
（1）等边三角形

在等边成分三角形中，三角形的三个顶点分别代表三个
组元A、B、C，三角形的三个边的长度定为0～100%，分别 表示三个二元系(A—B系、B—C系、C—A系)的成分坐标， 则三角形内任一点都代表三元系的某一成分。
B/%
C/% 直角坐标表示法
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第五章 相图
5.1.3 相图的建立
1、热分析法 原理：根据系统在冷却过程中温度随时间的变化情况来判断系统 中是否发生了相变化。 做法： (1) 将样品加热成液态； (2) 令其缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中系统在不同时刻的温 度数据； (3) 以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制成温度－时间曲线，即
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30
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第五章 相图
(3) 等腰成分三角形
当三元系中某一组元含量较少，而另两组元含量较大时， 合金成分点将靠近等边成分三角形的某一边。为了使该部分相 图清晰的表示出来，常采用等腰三角形，即将两腰的刻度放大, 而底边的刻度不变。
组元B的含量很少； 成分点靠近AC边； 按比例放大AB、BC边。
a2 ′
c1 c2 E
F B%
C%
A
← A%
D
a2
a1
C
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第五章 相图 B
课堂练习
绘出A / C ＝1/4的合金
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90
10 20 30 40 C% 50 60 70
B%
40 30 20 10 A 90
50
80 90 C 80 70 60 50 ← A%
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第五章 相图
2）二元系物质相图的表示方法
二元系物质比单元系物质多了一个组元，因此，它还有成分的变化，在反映 它的状态随成分、温度和压力变化时，必须用三个坐标轴三维立体图。由于二元 合金的凝固是在一个大气压下进行，所以二元系相图的表示多用一个温度坐标和 一个成分坐标表示，即用一个二维平面表示。 该平面内的任何点，称为表象点（相图中由成分和温度决定的点），表象点可反 映不同成分的合金在不同温度时具有的状态。
x A、xB 分别为AB组元的摩尔分数； x A xB 100% RA、RB 分别为AB组元的相对原子质量
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第五章 相图
3）三元系物质相图的表示方法

三元系物质中含有三个组元，因此三元相图是表示在 恒压下以温度变量为纵轴，两个成分变量为横轴的三维空 间图形。该立体通常为三棱柱体。由一系列空间区面及平 面将三元图相分隔成许多相区。
材料科学基础
第5章
相 图
第五章 相图
本章重点
5-1 相图基础知识
5-2 一元相图 5-3 二元相图 5-4 三元相图
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第五章 相图
5.1相图基础知识
相（phase） 系统内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。相 与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质 的改变是飞跃式的。 相图（phase diagram）——来源于物理化学 研究多相系统的状态如何随浓度、温度、压力等变量 的改变而发生变化，并用图形来表示体系状态的变化，这 种图形称为相图。 相律（phase rule） 研究多相平衡系统中，相数、独立组分数与描述该平 衡系统的变数之间的关系。它只能作定性的描述，而不能 给出具体的数目。
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B 第五章 相图
课堂练习
标出50%A+20%B+30%C的合金
70 60 B% 40 30 20 10 A 50 80
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C% 50 60 70 80 90
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步冷曲线(冷却曲线)； (4) 由若干条组成不同的系统的冷却曲线就可以绘制出相图。
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第五章 相图
5.1.3 相图的建立
• 下面以热分析法为例说明如何测绘Cu-Ni相图，其步骤如下：
1. 按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的Cu-Ni合金。
2. 测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。 3. 求出各冷却曲线上的临界点。 （曲线的转折点） 4. 将各临界点投到对应的合金成分-温度坐标中，每个临界点在二元相 图中对应一个点。 5. 连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)，并做出相应的曲线。 6.用相分析法测出向图中各相区所含的相，将他们的名称填入相应的相
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第五章 相图
5.1.2 相图的表示方法
1）单元系物质相图的表示方法
单元系物质由于他的成分是固定不变的，所以在反映它 随温度改变时，状态的变化图可以用一个温度坐标表示。 如纯金属在其熔点Tm以上为液相，在Tm以下为固相。 在表示它同时随温度和压力改变时，状态的变化图必须
区内，就得到了Cu-Ni合金的二元相图。
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第五章 相图
热分析法建立的Cu-Ni相图
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第五章 相图
5.1.4 相图热力学基础
• 相平衡的热力学条件 • 相平衡：
合金系中参与相变过程的各相长时间不再互相转 化（成分和相对量）时所达到的平衡。 相平衡的热力学条件是：合金系中各组元在各平 衡相中的化学势（偏摩尔自由能）彼此相等。